錦屏一級水輪發電機泵環結構導軸承設計與計算

柴 峰，王巖祿

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

錦屏一級水輪發電機泵環結構導軸承設計與計算

柴 峰，王巖祿

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

立式水輪發電機導軸承用來承受機組轉動部分的徑向機械不平衡力和電磁不平衡力，對機組軸系的穩定性及機組運行的安全性都有重要意義。論文以錦屏一級水輪發電機為研究對象，總結了泵環結構導軸承在錦屏一級電站發電機上的應用經驗，提出了泵環結構設計方法和計算公式，并給出了判定標準。本文的研究成果可為巨型水輪發電機組導軸承的設計研究提供參考借鑒。

水輪發電機；導軸承；泵環；檔油管

1 前言

導軸承在立式水輪發電機組中起到了承受機組轉動部件的徑向機械不平衡力和電磁不平衡力，維持機組軸線擺度在規定的數值范圍內的作用。作為軸系的一部分，機組導軸承的結構布置和型式的選擇與水輪發電機的容量、額定轉速及結構型式緊密關聯，不僅要滿足機組軸系剛度的性能要求，同時也要滿足臨界轉速計算的相關判定條件。根據結構分析和軸系穩定性計算結果，錦屏一級電站采用三導結構，分別在1645.28m、1637.915m和1632.375m高程設置了上導軸承、下導軸承和水導軸承。

錦屏一級電站以1635.575m高程的主軸法蘭連接面為分界高程，以下是水輪機，由東方電機股份有限公司設計制造，以上是水輪發電機，由哈爾濱電機廠有限責任公司設計制造。本文將就哈電設計制造的發電機上導軸承、下導軸承的設計創新點進行詳細論述。

2 泵環式導軸承冷卻結構

2.1 常規滑轉子泵潤滑油循環結構介紹

浸油式內循環冷卻的導軸承通常采用滑轉子泵潤滑油循環結構，即通常潤滑油經過冷卻器循環的動力，來源于滑轉子中所開的泵孔。導軸承滑轉子在對應導軸承瓦底部位置沿徑向開設一定數量和尺寸的泵孔，利用滑轉子在旋轉過程中其內腔潤滑油的離心力作用產生壓頭，強迫潤滑油通過泵孔流入導瓦腔，為導軸承潤滑冷卻的油循環提供動力。該結構在哈電設計機組上已有多年的使用經驗。圖1為滑轉子泵結構的導軸承。

圖1 滑轉子泵結構的導軸承

由圖1可見，為保證泵孔布置空間，滑轉子泵結構的滑轉子未與轉軸配合固定區域的懸臂軸向長度較大，其中布置泵孔和導瓦腔造成的滑轉子加長部分客觀上也造成了滑轉子材料的浪費；為配合泵孔，導軸承瓦下部也需要設置50mm高的空腔，造成了導軸承瓦的軸向尺寸加長，引起重量增加，成本的增加。

2.2 泵環結構潤滑油循環方式

錦屏一級電站發電機上導軸承、下導軸承采用了泵環結構的潤滑循環方式。滑轉子下端面為平面，在下端面下方設置了泵環，利用滑轉子與泵環的間隙作為潤滑油流動的通道，利用滑轉子外圓和泵環內圓處轉動部件的周向線速度差產生壓頭，為潤滑油提供循環動力，使滑轉子和導軸承瓦的材料均得到有效利用，潤滑油流動通道更為暢通。

錦屏一級水輪發電機泵環結構上、下導軸承結構見圖2、圖3。

圖2 錦屏一級泵環結構上導軸承裝配

圖3 錦屏一級泵環結構下導軸承裝配

為便于安裝，泵環采用分瓣結構，固定在導軸承瓦的托板下面，與油冷卻器的間隙盡量小，以便潤滑油與冷卻管充分進行熱交換。水輪發電機安裝時通過調整泵環與托板之間的墊片厚度調整泵環與滑轉子下端面的泵環間隙，從而在機組運行過程中控制合理的泵環出口潤滑油壓頭和泵出的潤滑油流量。

2.3 泵環結構出口壓頭、潤滑油流速和流量的計算

泵環結構出口潤滑油的壓頭可按下述公式計算：

式中：p-潤滑油流出泵環口時的出口壓頭（MPa）；ρ-流入泵環的潤滑油的運動粘度（m2/s）；ω-機組旋轉的角速度（rad/s）；R2-滑轉子外徑（mm）；R1-泵環內徑（mm）。

根據工程經驗，潤滑油流出泵環口的出口壓頭應不小于0.002MPa。軸承損耗大時，出口壓頭適當增加。

泵環結構潤滑油流速可按下述公式計算：

式中：ν-泵環結構潤滑油流速（L/min）；λ-阻力系數；h-泵環間隙（mm）。

為減少潤滑油流動的沿程損失，流過泵環的潤滑油流速控制在1～1.5m/s為宜。

泵環結構潤滑油流量可按下述公式計算：

式中：Q-潤滑油流量（L/min）

由于軸承油槽中潤滑油流動情況復雜，受轉動部件、固定部件干擾導致實際供油量可能不準確，設計的潤滑油流量應為理論計算帶走軸承損耗所需油量的4~6倍為宜，軸承損耗大時取上限。

3 泵環結構擋油管

錦屏一級電站上下導軸承擋油管同樣采用了泵環擋油結構。擋油管油面以下部分設置了水平的擋油環，與導軸承滑轉子內圓側的臺階配合，形成了泵環擋油結構。滑轉子旋轉時，滑轉子臺階內圓與擋油環外圓存在的周向線速度差形成了動壓壓頭。該壓頭亦可通過公式（1）計算。壓頭方向迫使潤滑油重新流回油槽內，增大了潤滑油通過滑轉子與擋油管之間的空腔發生內甩油的阻力。此處的小間隙除了增大向油槽內的壓頭外，也增大了潤滑油內甩的阻力。

擋油環上層設置有銅墊板，用于調節泵環的間隙。安裝時應以機架安裝擋油管的把合面為基準，測量滑轉子臺階高度和擋油環高度，配合給出的泵環間隙值計算并調整銅墊板的厚度，必要時可以采用局部打磨銅墊板的方式保證泵環間隙值的均勻。

4 結論

本文總結了泵環結構在錦屏一級電站水輪發電機上導軸承、下導軸承上的成功應用經驗，總結了泵環結構的特點，并給出了泵環結構出口壓頭、潤滑油流量和流速的計算公式和控制條件，為泵環結構在其他水電機組上的應用提供了參考和借鑒。該技術的應用還應注意以下幾點：

（1）泵環間隙h的確定應考慮機組運行時推力負荷造成的轉動部分下沉量的影響。當導軸承處于非負荷機架中時，泵環的安裝間隙應為計算的運行間隙h與轉動部分下沉量之和。如錦屏一級電站發電機上導軸承，泵環的安裝間隙為6.5mm，運行間隙為4mm；對于處于負荷機架中的導軸承，由于機架隨轉動部分共同下沉，則泵環的安裝間隙與運行間隙相同。如錦屏一級電站發電機下導軸承，安裝間隙與運行間隙均為4mm。

（2）對機組轉動部分下沉量的修正同樣適用于擋油管部位的泵環結構。

（3）由于不可避免的擋油管變形，在擋油管和滑轉子之間會形成偏心泵效應，造成吸油，增大了導軸承內甩油的可能，泵環結構的擋油管除可適當減小泵環間隙外，還應考慮擋油管和滑轉子之間采取適當的回油結構，以免此處油位過高。

[1]白延年.水輪發電機設計與計算[M].北京：機械工業出版社, 1990.

[2]宋洪占，張硯明.立式水輪發電機導軸承滑轉子泵的設計與計算[J].通用機械,2012,2：78-86.

TM312

B

1672-5387（2017）05-0043-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.010

2016-05-07

柴 峰（1982-），男，工程師，從事水輪發電機設計研發工作。